■ 核心提示
太陽能是新能源開發(fā)利用最活躍的領(lǐng)域。目前市場上的太陽能電池主要是單晶硅和多晶硅兩種。但這兩種太陽能電池最大的問題在于工藝條件苛刻，制造成本過高，不利于廣泛應(yīng)用。而上世紀90年代出現(xiàn)的納米TiO2有機半導(dǎo)體復(fù)合太陽能電池和有機/聚合物太陽能電池，工藝條件簡單，成本較低，有可能成為21世紀太陽能電池的新貴。
染料敏化太陽能電池極有可能取代傳統(tǒng)硅系太陽能電池，成為未來太陽能電池的主導(dǎo)
■ 將新聞進行到底
能源是世界經(jīng)濟發(fā)展的首要問題，當前，許多國家都把發(fā)展新能源作為應(yīng)對金融危機、加快經(jīng)濟復(fù)蘇的重要舉措。我國改善能源結(jié)構(gòu)也必須積極發(fā)展可再生能源和新能源，不斷提高清潔能源在能源結(jié)構(gòu)中的比重。
作為一種“取之不盡、用之不竭”的潔凈的天然能源，太陽能成為最有希望的能源之一。目前研究和應(yīng)用最廣泛的太陽能電池主要是硅系太陽能電池，但硅系電池原料成本高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、效率提高潛力有限，其光電轉(zhuǎn)換效率的理論極限值為30%，因此其民用化受到技術(shù)性限制，急需開發(fā)低成本的太陽能電池。
人工制造的“樹葉”
染料敏化太陽能電池價格相對低廉，制作工藝簡單，擁有潛在的高光電轉(zhuǎn)換效率，所以極有可能取代傳統(tǒng)硅系太陽能電池，成為未來太陽能電池的主導(dǎo)。
上個世紀90年代初，染料敏化納米晶太陽能電池DSSCs（Namo-Crystallion Dye-Sensitized Solar Cells）初露崢嶸，其光電轉(zhuǎn)換效率達7.1%—7.9%，開創(chuàng)了太陽能電池研究和發(fā)展的全新領(lǐng)域。隨后Gatzel和同伴開發(fā)出了光電能量轉(zhuǎn)換效率達10%—11%的DSSCs。目前，在標準條件下，染料敏化太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率已達到11. 2%，
如果你知道樹葉的結(jié)構(gòu)，你會很好地理解DSSCs。從結(jié)構(gòu)上來看，DSSCs就像人工制作的樹葉，只是植物中的葉綠素被敏化劑所代替，而納米多孔半導(dǎo)體膜結(jié)構(gòu)則取代了樹葉中的磷酸類酯膜。
染料敏化納米晶太陽能電池，主要由制備在導(dǎo)電玻璃或透明導(dǎo)電聚酯片上的納米晶半導(dǎo)體薄膜、敏化劑分子、電解質(zhì)和對電極組成，其中制備在導(dǎo)電玻璃或透明導(dǎo)電聚酯片上的納米晶半導(dǎo)體薄膜構(gòu)成光陽極。
完全不同于傳統(tǒng)硅系結(jié)太陽能電池的裝置，染料敏化太陽能電池的光吸收和電荷分離傳輸分別是由不同的物質(zhì)完成的，光吸收是靠吸附在納米半導(dǎo)體表面的染料來完成，半導(dǎo)體僅起電荷分離和傳輸載體的作用，它的載流子不是由半導(dǎo)體產(chǎn)生而是由染料產(chǎn)生的。
陽光驅(qū)動的“電子泵”
如果簡單地概括一下原理，DSSCs就像是由燦爛陽光驅(qū)動的分子電子泵。靠陽光的照耀，源源不斷地對外供電。
要說最具代表性的染料敏化太陽能電池，還得是Gatzel電池。照原理圖（左圖）上看，由于TiO2不能被可見光激發(fā)，因而要在TiO2表面吸附一層對可見光吸收特性良好的敏化劑。
在可見光作用下，敏化劑分子通過吸收光能躍遷到激發(fā)態(tài)，由于激發(fā)態(tài)的不穩(wěn)定性，敏化劑分子與TiO2表面發(fā)生相互作用，電子很快躍遷到較低能級TiO2的導(dǎo)帶，進入TiO2導(dǎo)帶的電子將最終進入導(dǎo)電膜，然后通過外回路，產(chǎn)生光電流。同時，處于氧化態(tài)的染料分子被電解質(zhì)中的碘離子I-還原回到基態(tài)，而I-被氧化為I-3，I-3很快被從陰極進入的電子還原成I-構(gòu)成了一個循環(huán)。
各組成部分的進展
光陽極材料：光敏材料敏化的半導(dǎo)體光陽極對該電池的性能起到至關(guān)重要的作用，成為目前研究的熱點。敏化的TiO2電極是染料敏化太陽能電池的關(guān)鍵部分，可以說其性能直接關(guān)系到太陽能電池的總效率。
染料敏化太陽能電池中，TiO2光陽極所用的納米晶薄膜分為致密TiO2薄層、納米多孔結(jié)構(gòu)TiO2薄膜，其中致密薄膜是早期染料敏化太陽能電池中TiO2光陽極所采用的，因其吸附染料效率低，后來少被采用，納米多孔結(jié)構(gòu)TiO2薄膜在目前染料敏化太陽能電池中TiO2光陽極采用極為廣泛。
光陰極材料：陰極在染料敏化太陽能電池中也發(fā)揮著重要的作用。在實際工作中，染料敏化太陽能電池由于有電流通過陰極，產(chǎn)生極化現(xiàn)象，形成超電勢，引起電勢的損失，降低了電池的性能。因此，陰極的制備一般用導(dǎo)電玻璃片作為基體，采用不同方法鍍上石墨、鉑或?qū)щ娋酆衔锏炔煌牧希渲绣冦K的效果較好。
電解質(zhì)：由于液態(tài)電解質(zhì)在封裝上的技術(shù)困難，人們開發(fā)了無機半導(dǎo)體體系的固態(tài)電解質(zhì)、有機空穴傳輸材料和高分子電解液體系等。與液態(tài)電解質(zhì)相比，固態(tài)染料敏化太陽能電池敏化劑的氧化還原電位，可以和空穴導(dǎo)體的工作函數(shù)更好的匹配，所以固態(tài)染料敏化太陽能電池獲得的Uoc值很高，可以達到接近1V。以固態(tài)電解質(zhì)取代液態(tài)電解液應(yīng)用于染料敏化太陽能電池，可以提高和改善電池的長期穩(wěn)定性。
敏化劑：敏化劑吸收太陽光產(chǎn)生光致分離，它的性能直接決定太陽電池的光電性能。新的敏化劑使吸收長波的能力增加，并且具有很高的光學(xué)橫斷面和吸收近紅外光的能力。
按其結(jié)構(gòu)中是否含有金屬原子或離子，敏化劑分為有機和無機兩大類。無機類敏化劑包括釕、鋨類的金屬多吡啶配合物、金屬卟啉、金屬酞菁和無機量子點等；有機敏化劑包括天然染料和合成染料。
——專家圈點——
DSSCs應(yīng)用前景廣闊
大慶石油學(xué)院王寶輝教授：在硅太陽能電池中, 單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高, 多晶硅次之, 非晶硅最低。經(jīng)過長達10a加速光老化試驗的結(jié)果表明, 染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率幾乎不變, 且高達15%,在一定程度上優(yōu)于非晶硅太陽能電池,具有廣闊的應(yīng)用前景。
染料成為當前研究的一個熱點
蘭州理工大學(xué)王青教授：敏化的納米晶TiO2電極是染料敏化太陽能電池的關(guān)鍵部分，其性能直接關(guān)系到太陽能電池的總效率。在制備技術(shù)方面，基于傳統(tǒng)的刮涂制膜技術(shù)和逐層沉積制備技術(shù)，由于操作的復(fù)雜性和技術(shù)掌握的難度，是光陽極制備的瓶頸問題。絲網(wǎng)印刷技術(shù)由于其大面積制備的可操作性，是實現(xiàn)未來工業(yè)化不錯的手段，但同樣存在技術(shù)操作復(fù)雜的缺點，同時其規(guī)模制備所需條件依然需要改進和優(yōu)化。
在染料敏化上，尋找低成本、性能良好的染料成為當前研究的一個熱點。
總之，通過光敏化，獲得較寬的可見光譜響應(yīng)范圍，快速的電子傳輸，優(yōu)越的電子散射系數(shù)，增強的光收集效率以及優(yōu)越的抑制電荷復(fù)合性能的多孔膜將是未來TiO2光陽極研究的方向。
■ 技術(shù)動態(tài)
日本開發(fā)出“纖維狀無TCO染料敏化太陽能電池”
來自日本的研究人員開發(fā)出一種“纖維狀無TCO染料敏化太陽能電池(fiber-type TCO-less dye sensitized solar cell)”，這種太陽能電池是將染料敏化太陽能電池層，環(huán)繞著一根長3.5厘米(cm)、直徑9毫米(mm)玻璃纖維所組成。
該研究團隊來日本九州島科技大學(xué)的生命科學(xué)與系統(tǒng)工程研究所，其研究人員將一層氧化鈦、一層敏化顏料，以及一層多孔鈦(porous Ti)作為電極(正極);一層包含碘等電解質(zhì)的多孔層，以及一層白金(Pt)與鈦作為另一端電極(負極)。
將上述兩種電極順序環(huán)繞著玻璃纖維;而除了該玻璃纖維的兩端，整個太陽能電池都以鈦覆蓋著。將光線從玻璃纖維的一端透進去，光就會被太陽能電池中的染料所吸收，并轉(zhuǎn)換成電力;而若是該纖維稍有傾斜，在光線從另一端出去之前，就不會在表面下的玻璃造成完全反射。
目前該種太陽能電池所展現(xiàn)的轉(zhuǎn)換效率，在使用某種染料的情況下僅稍高于1%，該數(shù)字稍低了些，且由于該種電池使用的玻璃纖維有9mm直徑，長度卻只有1.5公分左右，因此大約有九成從纖維的一端入射，從另一端出去的光線并沒有被轉(zhuǎn)換。
預(yù)計未來該種太陽能電池的凈轉(zhuǎn)換率(net conversion efficiency)可望達到10%，被浪費的光線問題能透過增加光纖的長度或是減少纖維直徑來克服。
而該種新型太陽能電池與標準染料敏化太陽能電池的一個最大差異，是新電池并不使用透明電極(透明導(dǎo)電氧化物薄膜TCO)，研究人員計劃利用尚未被現(xiàn)有染料敏化太陽能電池所使用的近紅外線(near-infrared)能源，來產(chǎn)生電力。
■ 延伸閱讀
夏普研究染料敏化太陽能電池以降低生產(chǎn)成本
據(jù)海外媒體報道，夏普已開始研發(fā)染料敏化太陽能電池(DSSCs)，希望第2世代的太陽能電池能大幅降低生產(chǎn)成本，并助公司在充滿競爭的市場上取得先機。
這項研究主要在 Sharp結(jié)晶太陽能電池事業(yè)部進行，該事業(yè)部位于奈良縣葛城市，該公司預(yù)計在2020年左右，將該產(chǎn)品商業(yè)化推出。
該公司研究人員表示，高光電轉(zhuǎn)換效率的雛形電池，大多為深綠色，因為這是最適合吸收太陽光的顏色，同時也較不會產(chǎn)生顏色不均的現(xiàn)象。
通常用于油漆之類的有機染料，含有金屬復(fù)合體，一接收到太陽光，便會釋出電子。利用這項特點，將染料與電解液置放在導(dǎo)電板兩側(cè)，可從中產(chǎn)生電力。制造的原理很簡單，但是要選擇何種染料與電解液做結(jié)合，卻令人傷透腦筋，因為光電轉(zhuǎn)換效率的好壞，與選材的關(guān)系密切，研究人員必須反復(fù)測試不同材料的組合，以求提高光電轉(zhuǎn)換效率。
受到日本新能源產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展組織(NEDO)的委托，夏普希望在2009年會計年度結(jié)束前，將每 900平方公分的DSSCs光電轉(zhuǎn)換效率提高8%。去年該公司成功制造出每25平方公尺光電轉(zhuǎn)換效率達8.2%的DSSC，目前為全球該尺寸最高光電轉(zhuǎn)換率的DSSC。
夏普研發(fā)一部總經(jīng)理表示：“我們目標是將轉(zhuǎn)換率提高超過 10%，推出商業(yè)化的DSSC。”因為目前主流的單晶硅太陽能電池，其模塊光電轉(zhuǎn)換效率已達約15%。
